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IPC PC-basierte Steuerung optimiert Prüfdaten

| Autor / Redakteur: Andreas Iseli / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Um die Kapazität sowie die Menge und Qualität der Prüfdaten zu erhöhen, hat ein Spindelhersteller einen Prüfstand mit PC-basierter Steuerungstechnik entwickelt.

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Komplexer End-of-Line-Spindelprüfstand mit PC-basierter Automatisierungslösung.
Komplexer End-of-Line-Spindelprüfstand mit PC-basierter Automatisierungslösung.
(Bild: Beckhoff)

Auf einen Blick

  • Der neue Prüfstand der Fischer AG ermöglicht die Optimierung per Fernzugriff.
  • Kameras liefern dazu die für die Betriebssicherheit notwendigen Bilder.
  • Ethercat dient beim neuen Prüfstand als Hauptbussystem.

Motorspindeln müssen besonders hohen Qualitätsanforderungen genügen. Deshalb durchläuft jede einzelne Spindel der Fischer AG in Herzogenbuchsee (Schweiz) ein ausgefeiltes Prüfprogramm, bevor sie ausgeliefert wird. Um die Prüfkapazität sowie die Menge und Qualität der Prüfdaten zu erhöhen, wurde ein Prüfstand mit PC- basierter Steuerungstechnik von Beckhoff entwickelt. Es ist auch ein wichtiger Schritt auf dem Weg hin zur Digitalisierung.

Ein wichtiger Grund für die Entwicklung eines neuen Prüfstands war die Qualität der Daten. Es sollten künftig nicht nur mehr, sondern auch zuverlässigere Prüfdaten erhoben werden können. Insbesondere die Vergleichbarkeit der Daten war mit dem alten Prüfstand wegen einer zentralen Kühlung, die sich auf mehrere Prüfplätze verteilte, schwierig. Durch den neuen Prüfstand verbesserte sich nicht nur die Qualitätsprüfung und die Belastbarkeit der Daten, sondern auch der mögliche Durchsatz. Er hat sich nahezu verdoppelt. „Im Projekt ‚Neue Spindelprüfung‘ haben wir uns entschieden, die schnelle Regelungstechnik und die komplette Steuerungsintelligenz mit Komponenten von Beckhoff aufzubauen“, erläutert Adrian Flükiger, Leiter Prüfstandbau. Geschwindigkeit und Performance seien ein wichtiges Kriterium für diese Entscheidung gewesen, ebenso wie die Offenheit des PC-basierten Ansatzes, den Beckhoff bei seiner Steuerungstechnik verfolgt.

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Prüfgruppen werden zu 100 % geprüft

„Wir führen zur Qualitätsprüfung eine 100-%-End-of-Line-Prüfung durch. Jede Spindel, die wir herstellen, durchläuft einen mehrstündigen Prüfzyklus“, erläutert Stefan Schneider, Leiter Technik der Fischer AG. Der Prüfstand verfügt über zwei redundante Gruppen mit je sechs unabhängigen Prüfplätzen. Beide Gruppen sind mit einem Schaltschrank-Indus­trie-PC C6250 ausgerüstet. Jeder Prüfplatz verfügt zur Anlagenbedienung zudem über einen Schaltschrank-IPC C6920 und ein mit CP-Link 4 angebundenes, tragarmmontiertes Multitouch-Control- Panel CP3919. Der Aufbau mit redundanten Prüfplatzgruppen wur­de gewählt, um eine möglichst hohe Ausfallsicherheit der Anlage sicherzustellen.

Die gewünschten Prüfparameter sind in einer Datenbank hinterlegt. Ist eine Spindel im Prüfstand eingebaut, wird der passende Parametersatz per Barcodescan geladen. Anschließend durchläuft die Spindel die darin festgelegten Zyklen, bestehend aus Einlauf-, Produktions- und Abnahmezyklus. 257 Sensoren pro Prüfplatz liefern hochaufgelöste Daten, die exportiert, verdichtet und analysiert werden. Diese stehen dann weltweit in einer Datenbank zur Verfügung. „Mit dem neuen Prüfstand und der damit erreichten hohen Qualität der Daten ist es nun möglich, die Ergebnisse von gleichen Spindeltypen übereinanderzulegen und auf diese Weise Unregelmäßigkeiten besser zu detektieren“, erklärt Flükiger. „Das erhöht die Qualität und verringert den Rücklauf von fehlerhaften Spindeln, da diese gar nicht erst ausgeliefert werden.“

Die Qualität und Belastbarkeit der erhobenen Daten ist sehr wichtig, weil Datenanalyse und Digitalisierung für das Unternehmen zunehmend von Bedeutung sind. Zwei Mitarbeiter beschäftigen sich schon heute in Vollzeit mit diesen Themen. „Seit wir hochaufgelöst loggen können und die Messdaten vergleichbar sind, können wir Muster erkennen und dadurch neue Qualitätskriterien definieren“, führt Schneider aus. „Ein Beispiel hierfür ist die Analyse der Lagertemperaturen. Früher wurden nur Grenzwerte überwacht. Schwankungen unterhalb der Grenzwerte konnten gar nicht detektiert werden. Solche Anomalien können dank des neuen Prüfstands nun erkannt werden.“

Predictive Maintenance und Vernetzung

Seit einem Jahr läuft der Prüfstand mit allen zwölf Prüfplätzen ohne Zwischenfälle und so soll es auch bleiben. Deshalb werden nicht nur Prüfdaten für die Spindeln erhoben, sondern auch die wartungsbehafteten Bauelemente der Anlage – wie zum Beispiel Filter – überwacht. Dazu sagt Flükiger: „Bei unseren alten Prüfständen haben wir an Weihnachten oder in den Sommerferien die Wartungsarbeiten durchgeführt. Davon wollen wir weg. Die Verfügbarkeit soll bei der neuen Anlage immer sichergestellt sein. Daher werden die wartungsbehafteten Komponenten überwacht und bei Bedarf ausgewechselt.“ Beim IPC beispielsweise wird die Auslastung überwacht und geloggt. Ist ein Rechner dauerhaft zu 90 % ausgelastet, wird die dafür verantwortliche Ursache gesucht und eliminiert. Nötigenfalls kann ein IPC ohne großen zeitlichen Aufwand durch ein leistungsstärkeres Gerät aus dem Beckhoff-Portfolio ersetzt werden, weil die Installationen gespiegelt werden und sich damit einfach auf einen neuen IPC aufspielen lassen.

Auch die Vernetzung des Prüfstands ist ein Novum. Denn am alten Prüfstand mussten alle Einstellungen vor Ort vorgenommen werden. Der neue Prüfstand ermöglicht hingegen die Optimierung per Fernzugriff, wobei Kameras die für die Betriebssicherheit notwendigen Bilder liefern. Diese Option wird bei der Fischer AG häufig genutzt, vor allem weil der Prüfstand in mehreren Schichten und auch über das Wochenende betrieben wird.

Wechsel auf objektorientierte Programmiersprache C#

Von dem ursprünglich verwendeten grafischen Programmiersystem wechselte man aufgrund von Performance-Problemen auf die objektorientierte Programmiersprache C#. Für die Programmierung mit C# wird die .Net-Schnittstelle von Twincat 3 genutzt. „Ein weiteres Feature, das sich bei der Softwareentwicklung als sehr hilfreich erwiesen hat, sind die Multiinstanzen von Twincat. Schließlich gibt es zwölf Prüfplätze, durch die Multiinstanzen muss aber nur der Code für einen geschrieben werden. Das spart viel Zeit und Programmieraufwand“, erläutert Adrian Flükiger.

Ein Feature, das sich bei der Inbetriebnahme des neuen Prüfstandes besonders bewährt hat, ist laut Adrian Flükiger das Softwareoszilloskop Twincat 3 Scope, das vollständig in die Twincat-Steuerungsarchitektur integriert ist und über das Charting-Tool die einfache grafische Darstellung von Signalverläufen ermöglicht: „Mit dem Twincat 3 Scope konnten wir quasi in Echtzeit das Signal von jeder Klemme anschauen. Den großen Nutzen dieses Features haben wir erst im Verlauf der Entwicklung erkannt. Wenn man bei der Inbetriebnahme oder bei einer Fehlersuche die Signale vergleichen kann, hilft das sehr.“

Offene Steuerungstechnik erweitert Bussystemnutzung

Ethercat dient beim neuen Prüfstand als Hauptbussystem. Doch aufgrund einiger unverzichtbarer Komponenten sind auch andere Feldbusse vertreten. „Dass wir mehrere Feldbusarten mischen können, kommt uns sehr entgegen. Denn im Prüfstand betreiben wir Motoren, die über Profibus angebunden sind. Wegen einiger Ventile ist zusätzlich ein CAN-Bus nötig.

Dank der offenen Steuerungstechnik von Beckhoff ist es allerdings kein Problem, mehrere Bussysteme zu mischen“, so Adrian Flükiger. Die Ethercat-Box-­Module der EP-Serie von Beckhoff haben sich seiner Aussage nach dabei ebenfalls als sehr hilfreich erwiesen: „Ohne diese IP67-­I/O-Module wäre ein deutlich höherer Ver­kabelungsaufwand entstanden. Denn die Feldbus- und Signalverdrahtung vereinfacht sich durch die dezentrale Installation und die vorkonfektionierten Kabel der Ethercat-Box-Module erheblich. Verdrahtungsfehler können so weitgehend vermieden und die Inbetriebnahmezeiten minimiert werden. Die Ethercat-Box-Module unterstützen alle wichtigen Feldbussysteme. Die Elektroplanung wird damit weitgehend unabhängig vom verwendeten Bussystem.“

„Für die Klemmen nutzen wir die Sync Units innerhalb von Twincat“, erklärt Adrian Flükiger weiter. „Damit können Applikationen strukturiert werden, was eine bessere Übersicht gewährleistet und die Fehlersuche vereinfacht.“ Sync Units definieren unabhängige Einheiten von I/O-Teilnehmern. Fällt innerhalb einer Sync Unit ein Feldbus-Teilnehmer aus, dann werden Teilnehmer der eigenen Sync Unit als fehlerhaft markiert. Die Teilnehmer in anderen Sync Units werden davon nicht beeinflusst.

Anwender wurde während der Entwicklung unterstützt

Dass mit dem Beckhoff-Büro in Lyssach ein kompetenter Support in nächster Nähe verfügbar war, erwies sich besonders während der Umsetzung des anspruchsvollen und komplexen Projekts als sehr hilfreich: „Beckhoff unterstützte uns bei Vortests oder auch mit Workshops, wenn sich mehrere Themen angestaut hatten“, so Schneider. „Deshalb waren gerade in der ersten Zeit häufig Mitarbeiter der Fischer AG in der Geschäftsstelle in Lyssach oder umgekehrt. Man kann manche Dinge nicht per Telefon klären. Auch heute brauchen wir noch hin und wieder Support. Für das Projektteam der Fischer AG ist die Softwareentwicklung ein zentraler Pfeiler für den nachhaltigen Geschäftserfolg. Daher hat sich das Team rigoros auf die Qualität und Effizienz fokussiert und mit dem Beckhoff Solution Partner MBC Engineering GmbH einen Spezialisten für Twincat und .Net-Entwicklungen ins Boot geholt. Durch die enge Zusammenarbeit konnten Synergien genutzt und wertschöpfend umgesetzt werden.“

„Das breite Portfolio von Beckhoff deckt aus unserer Sicht alle Anforderungen ab“, so Schneider. „Unser Prüfstandbau rüstet daher derzeit alle alten Prüfstände mit Beckhoff-Komponenten aus.“ Auch ein weiterer Prüfstand nach dem neuen Konzept ist bereits in Planung, wie Flükiger erläutert: „Der aktuelle Prüfstand wurde für Motorspindeln ausgelegt, die in Fräsapplikationen zum Einsatz kommen. Ein weiterer Prüfstand für Schleifspindeln wird in ähnlicher Bauweise umgesetzt werden. Dafür muss zwar die Prüfstandmechanik komplett geändert werden. Aber das Konzept für die Steuerung und die Softwaremodule können wir größtenteils wiederverwenden.“

* Andreas Iseli ist der Leiter der Beckhoff-Geschäftsstelle in 3421 Lyssach (Schweiz), Tel. (00 41-34) 4 47-44 88, info@beckhoff.ch

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